токсикология

близкой к 0 в нормальных физиологических условиях t1/2 равно примерно 13 минутам.

Величина объема вентиляции существенно сказывается на выведении веществ хорошо растворимых в крови (ацетон, этанол), а интенсивность кровотока в легких прежде всего влияет на скорость элиминации плохо растворимых в крови веществ (хлороформ, этилен, закись азота). Основываясь на этом, можно решить, с помощью каких препаратов (дыхательных аналептиков или стимуляторов сердечной деятельности) можно ускорить выведение тех или иных летучих и газообразных веществ из организма. Через лёгкие могут выделяться также летучие метаболиты, образующиеся при биотрансформации ксенобиотиков. Метаболизм некоторых органических соединений проходит с образованием СО2. С помощью радиоактивной метки установлено, что углекислота является метаболитом бензола, стирола, хлороформа, четыреххлористого углерода, метилового спирта, этиленгликоля, фенола, диэтилового эфира, ацетона и многих других соединений. Порой до 50% меченного радиоактивным изотопом соединения выделяется в форме 14СО2. Через легкие из организма выделяются летучие анестетики, летучие органические растворители, фумиганты.

Другой способ легочной экскреции реализуется с помощью альвеоляр- но-бронхиальных транспортных механизмов. В просвет дыхательных путей секретируется жидкость, сурфактант, макрофаги, содержащие ксенобиотики. Секрет, а также адсорбированные на поверхности эпителия частицы аэрозоля, выводятся из дыхательных путей благодаря мукоцилиарному восходящему току. Более 90% частиц выводится подобным образом из дыхательных путей в гортань в течение часа после ингаляции. Из гортани вещества поступают в желудочно-кишечный тракт.

Почечная экскреция. Почки - важнейший орган выделения в организме. Через почки выводятся продукты обмена веществ, многие ксенобиотики и

171

продукты их метаболизма. Выделение летучих органических ксенобиотиков с мочой незначительно.

Масса почек чуть менее 0,3% массы тела, однако, через орган протекает более 25% минутного объема крови. Благодаря хорошему кровоснабжению, находящиеся в крови вещества, подлежащие выведению, быстро переходят в орган, а затем и выделяются с мочой.

В основе процесса выделение через почки (рис.16) лежат три механизма: - фильтрация через гломерулярно-капиллярный барьер (все низкомолекулярные вещества, находящиеся в растворенном состоянии в плазме крови);

-секреция эпителием почечных канальцев (органические кислоты, мочевая кислота, сильные органические основания, тетраэтиламмоний, метилникотинамид и т.д.);

-реабсорбция клетками эпителия (пассивная обратная диффузия: все жирорастворимые вещества, неионизированные молекулы органических кислот, активный транспорт: глюкоза, лактат, аминокислоты, мочевая кислота, электролиты и т.д.).

Рис. 16. Механизмы экскреции токсикантов через почки Фильтрация осуществляется в почечных клубочках, при этом фильтрат

преодолевает барьер, образованный эндотелием капилляров, формирующих клубочек, базальной мембраной и эпителием капсулы клубочка. Общая площадь поверхности более чем 1,7-2,5 миллионов клубочков обеих почек составляет около 2-3 м2. Диаметр пор базальной мембраны составляет у разных видов млекопитающих 2-4 нм; общая площадь пор: 4-10% от общей фильтрационной поверхности (в мышцах всего 0,1%). Поры между эндотелиальными и эпителиальными клетками почечного клубочка равны 25-50 и 10-25 нм соответственно. Таким образом, почки работают как мощный ультра-

172

фильтр, задерживающий высокомолекулярные вещества и пропускающий все молекулы с малой и средней массой. Фильтрат содержит все составные части плазмы крови, имеющие размеры меньше, чем размеры фильтрующих пор базальной мембраны. Для молекул с молекулярной массой более 15000 возможность фильтрации существенно снижается. Белки плазмы крови (и связанные с ними низкомолекулярные вещества) фильтрации не подвергаются. Для фильтрации через клубочковый аппарат почки липидо- и водорастворимость веществ не является определяющим фактором.

Движущая сила фильтрации складывается из артериального давления в гломерулярных капиллярах, минус гидростатическое давление в капсуле Боумена, минус коллоидно-осмотическое давление плазмы крови. Давление крови в гломерулярных капиллярах с помощью различных механизмов поддерживается на уровне 50-80 мм рт. ст. Эффективное фильтрационное давление в почках составляет около 8 мм рт. ст.

Скорость фильтрации зависит от ряда факторов и может увеличиваться при: повышении давления крови в гломерулярных капиллярах; уменьшении содержания белка, особенно альбумина, в плазме крови; понижении гидростатического давления в капсуле боумена увеличении числа функционирующих гломерул.

В норме, благодаря наличию прегломерулярных анастомозов, существенная часть клубочков находится в неактивном состоянии. Их включение в процесс выделения существенно увеличивает интенсивность процесса фильтрации.

Поскольку белки плазмы крови не подлежат фильтрации, через почки выделяются лишь вещества, не связанные с белками. Поскольку свободная и связанная фракции токсикантов в крови находится в состоянии динамического равновесия, как только свободная часть отфильтровывается, освобождается из связи с белками связанная фракция. Если связь прочная и

173

высвобождение веществ затруднено процесс выделения токсиканта существенно затягивается во времени.

Некоторые вещества практически полностью отфильтровываются в клубочках почек в течение нескольких часов. Так, если в течение минуты фильтрации подвергается около 130 мл плазмы, скорость почечной элиминации веществ, выделяющихся исключительно посредством фильтрации можно рассчитать по формуле:

t1/2 = ln2 (V/F), где t1/2 - период полувыведения, мин;

V - объем распределения, л;

F - скорость фильтрации (0,13 л/мин).

При различных объемах распределения период выведения фильтрующихся веществ будет существенно различен.

Если объем распределения вещества известен, то на основе величины периода полувыведения можно также судить, быстрее или медленнее элиминируется вещество, чем можно было бы ожидать, исходя из расчета скорости фильтрации плазмы. Если отличия существенны, следует считать, что имеются еще какие-либо дополнительные механизмы выведения данного вещества через почки.

Канальцевая реабсорбция. Гломерулярный фильтрат с растворенными в нем токсикантами переходит из капсулы боумена по извитым канальцам, петле Генле, дистальному отделу канальцев в собирательные трубки. Длина каждого канальца равна 3-5 см, а общая площадь их поверхности - 7-8 м2. Первичная моча (фильтрат плазмы крови) распространяется по поверхности канальцев в виде тонкой пленки. Благодаря этому достигается высокая эффективность процесса диффузии через клеточный слой канальцев. По своим свойствам первичная моча ни чем не отличается от плазмы крови. Она содержит такую же концентрацию не связанных с белками токсикантов, как и плазма. Следовательно, между жидкостями не существует градиента концентрации веществ.

174

В проксимальном отделе почечных канальцев происходит активная обратная резорбция из первичной мочи отфильтрованной воды, а также многочисленных химических веществ. В канальцах реабсорбируется до 99% воды из первичной мочи. Это приводит к очень значительному повышению концентрации растворенных в моче веществ, в том числе и токсикантов. Таким образом, формируется высокий градиент концентрации веществ между содержимым канальцев и кровью. Именно это является движущей силой обратной диффузии веществ из первичной мочи в кровь. Процессу свободной диффузии препятствует барьер, формируемый эпителием канальцев, межуточным веществом и эндотелием капилляров, оплетающих стенку канальцев. В целом свойства этого барьера аналогичны свойствам гистогематических барьеров других тканей. Закономерности, определяющие процесс проникновения токсикантов и их метаболитов через стенку канальцев подчиняется законам простой диффузии. Реабсорбции, прежде всего, подвергаются: а) жирорастворимые вещества; б) неионизированные молекулы водорастворимых веществ; в) вещества с низкой молекулярной массой.

Проницаемость канальцевого барьера почти тождественна проницаемости слизистой кишечника, поэтому вещества, легко всасывающиеся при приеме через рот, затем трудно выводятся через почки, так как легко реабсорбируются из первичной мочи обратно в кровоток, а затем обратно - из кровотока в первичную мочу. Такая длительная тубуло-гломерулярная рециркуляция хорошо растворимых в липидах веществ приводит к существенному замедлению процесса их элиминации. Метаболизм ксенобиотиков во многом и предназначен для превращения жирорастворимых (плохо выводящихся из организма) веществ в водорастворимые, способные к выведению из организма, соединения.

Выделение через почки слабых кислот и оснований существенно зависит от рН мочи. Как уже указывалось, вещества могут подвергаться реабсорбции в том случае, если молекула их не ионизирована. Из этого

175

следует, что при подкислении мочи (путем назначения внутрь например, хлористого аммония) слабые основания (например, алкалоиды) будут переходит в ионизированную форму, хуже реабсорбироваться и лучше выводиться из организма. При подщелачивании мочи (например, путем приема соды), по той же причине, из организма лучше будут выводиться слабые кислоты (например, барбитураты).

Помимо пассивной диффузии некоторые веществ в канальцах подвергаются активной реабсорбции. К числу таких веществ относятся, как правило, только естественные метаболиты: лактат, глюкоза, мочевая кислота, которые после их фильтрации в первичную мочу, попадают обратно в кровь.

Канальцевая секреция. Многие органические вещества со свойствами слабых кислот (например, глюкурониды, салициловая кислота, пенициллин и др.) быстро переходят из крови в мочу. В основе быстрого переноса таких соединений в просвет почечных канальцев лежит активный транспорт. Транспортные системы находятся в проксимальном отделе почечных канальцев. Этот процесс направлен против градиента концентрации вещества и зависит от интенсивности обмена веществ. Он конкурентно ингибируется веществами с близким строением. Специфичность транспортных механизмов невелика. Условием переноса является наличие в молекуле групп – СООН или – SO 3 и гидрофобного участка. Переносу подлежат соединения как простого, так и сложного строения. Связывание субстрата с молекулами-пере- носчиками осуществляется за счет ионных и водородных связей.

Иногда процессу активного переноса (секреции) из крови в просвет канальцев данного вещества противодействует его простая диффузия в противоположном направлении. Например, мочевая кислота с одной стороны активно секретируется, а с другой - пассивно диффундирует обратно в кровоток.

В почечных канальцах существует система активного выведения и веществ со свойствами слабых оснований: тетраэтиламмония, алкалоидов (морфина, хинина), имипрамина, мекамиламина и др.

176

Механизмы активной секреции обнаружены у большинства позвоночных. О механизмах, лежащих в основе выведения того или иного токсиканта через почки, можно судить и по соотношению его концентраций в моче и плазме крови. Если это соотношение близко 100 - в основе процесса лежит фильтрация; если существенно меньше 100 - фильтрации сопутствует реабсорбция значительной части данного вещества; если больше 100 - превали-

руют механизмы секреции токсиканта (табл. 12).

Таблица 12 Соотношение концентраций в моче и плазме крови (моча/плазма) неко-

торых органических соединений (по С.А. Куценко, 2002)

Вещество	Моча/плазма
Алифатические углеводороды	0,07	- 0,09
Хлорированные углеводороды	0,1	- 1,0
Кетоны, алифатические спирты	1,0	- 1,3
Гликоли	3,0	- 5,0
Эфиры полигликолей	40	- 70
Конъюгированные фенолы	300

Формы выделения металлов с мочой чаще всего неизвестны, но считают, что они выделяются не только в свободном, но и в связанном, состоянии. Так, например, свинец и марганец экскретируются как в ионной форме (осаждаемой), так и в виде органических комплексов. Комплексообразование способствует выделению металлов с мочой, на этом основана терапия интоксикаций разнообразными органическими комплексами (ЭДТА-Na2 и др.).

Выделение через желудочно-кишечный тракт. С экскрементами вещество или его метаболиты выделяются в результате неполного всасывания в желудочно-кишечном тракте; при билиарной экскреции без последующей реабсорбции в кишечнике или в результате выделения слизистой желудочнокишечного тракта. Эти процессы могут происходить и изолированно и в комплексе.

177

Под интестинальной (кишечной) экскрецией понимают процесс перехода вещества или его метаболитов из крови в просвет кишечника с последующим выделением с фекалиями.

Некоторые вещества выделяются в значительном количестве уже в желудке (морфин и другие алкалоиды). Это наблюдается даже при парентеральном способе введения указанных соединений и является следствием значительного различия рН крови и содержимого желудка. Токсиканты, способные выделяться в просвет желудка, в кислой среде находятся в ионизированной (протонированной) форме и потому не всасываются обратно в кровь. Однако если при переходе в кишечник (щелочная среда), выделившееся вещество вновь превращается в неионизированную форму, оно всасывается обратно в кровь и не выделяется из организма. В подобных ситуациях весьма полезной процедурой, позволяющей существенно ускорить удаление токсиканта из организма является промывание желудка.

Жирорастворимые вещества могут выделяться в просвет кишечника путем простой диффузии, однако вследствие реабсорбции, их концентрация при этом не будет превышать концентрацию в плазме крови. Тем не менее, сравнение в эксперименте интенсивности выделения жирорастворимых веществ почками и кишечником показывает, что преобладает кишечная экскреция.

Некоторые соединения, например моночетвертичные азотсодержащие вещества (N-метилскополамин, N-метилникотинамид, тетраэтиламмоний и т.д.) после внутривенного введения экспериментальному животному обнаруживаются в просвете кишечника.

Выделение с калом характерно для тяжелых металлов. Экскретируются элементы в связанной с белками форме. Например, выведение свинца и кадмия существенно увеличивается при увеличении в рационе белка. Выделение через желудочно-кишечный тракт для металлов имеет большее

178

значение, чем для органических веществ, а для некоторых этот путь является основным.

Выделение печенью. В отношении ксенобиотиков, попавших в кровоток, печень выступает и как основной орган их метаболизма и как орган экскреции. Печень выделяет химические вещества в желчь, причем не только экзогенные, но и эндогенные, такие как желчные кислоты, желчные пигменты, электролиты. Выделяющиеся вещества должны проходить через барьер, образуемый эндотелием печеночных синусов, базальной мембраной и гепатоцитами.

В процессе экскреции ксенобиотиков печенью осуществляется в два этапа: захват гепатоцитами и выделение в желчь. Оба этапа могу проходить либо в форме простой диффузии, либо активного транспорта. Механизм выделения определяется строением вещества.

Захват гепатоцитами молекул липофильных веществ происходит путем простой диффузии, а органических анионов (оротовая кислота, рифампицин) и катионов (четвертичные аммониевые соединения), металлов (железо, кадмий), а также некоторых эндогенных веществ (билирубин, желчные кислоты) – путем активного транспорта. Захват гепатоцитами и билиарная экскреция высокомолекулярных веществ и белков осуществляется путем пиноцитоза. Билиарная экскреция неорганических ионов осуществляется путем диффузии. Активным транспортом экскретируются желчные кислоты, билирубин, стероиды, органические анионы, многие нейтральные органические соединения.

Свободная диффузия токсикантов, связанных с белками плазмы крови, практически не возможна и они могут удаляться из плазмы путем пиноцитоза.

Как известно в печени осуществляется метаболизм многих веществ. Ксенобиотики, попавшие в гепатоциты, распределяются между цитозолем и фиксируются различными протоплазматическими структурами. Часть соединений, в том числе и эндогенных (билирубин), находится в цитозоле в

179

связанной с белками форме, что также имеет значение для их элиминации и детоксикации.

Гепатоциты синтезируют специальные белки, ответственные за выведение ксенобиотиков из клеток, это так называемые мультиспецифичные переносчики органических анионов (MRP) и р-гликопротеины (p-GP). Оба типа белков первоначально были обнаружены в клетках резистентных к токсическому действию противоопухолевых препаратов. Позже было установлено, что их функция - активный транспорт ксенобиотиков через клеточные мембраны. MRP способны переносить лиганды, конъюгированные с глутатионом, глукуроновой кислотой, сульфатом. Таким образом, 2-я фаза метаболизма не только превращает вещества в более растворимые в воде, но и «подготавливает» их к активному транспорту за пределы клетки. p-GP транспортируют в основном липидорастворимые ароматические соединения с молекулярной массой 300-500 дальтон и амфифильные молекулы, содержащие катионную аминогруппу.

В желчи в том или ином количестве обнаруживаются вещества, относящиеся практически ко всем классам химических соединений. В соответствии со значением коэффициента СЖ/СП (СЖ - концентрация в желчи; СП - концентрация в плазме крови) ксенобиотики могут быть разделены на три группы.

Вещества, выделяющиеся печенью путем простой диффузии, могут оказаться в желчи лишь в концентрации, равной его концентрации в плазме крови (СЖ = СП). Так, для ионов Na+, K+, Cl– коэффициент СЖ/СП приблизительно равен 1,0. Для веществ, попадающих в гепатоцит, а затем и в желчь, с помощью механизмов активного транспорта, коэффициент СЖ/СП может быть существенно выше 1,0. Как правило, активно выделяются печенью амфифильные вещества, содержащие в молекуле как полярные, так и неполярные группы. У некоторых соединений, нашедших применение в клинической практике, значение коэффициента СЖ/СП очень велико

180